Ya sea que los químicos orgánicos estén trabajando en el desarrollo de nuevas energías moleculares o en la creación de nuevos fármacos de gran éxito en la industria farmacéutica, cada uno está buscando cómo optimizar la estructura química de una molécula para lograr las propiedades objetivo deseadas.

Parte de esa optimización incluye el motivo de empaquetamiento de un cristal molecular, un patrón percibido en cómo las moléculas se orientan entre sí dentro de una estructura cristalina. Los conjuntos de datos de motivos de embalaje actuales se han mantenido pequeños debido a los intensos procesos de etiquetado manual y a los esquemas de etiquetado insuficientes.

Para ayudar a resolver este problema, un equipo de científicos informáticos y materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) ha desarrollado un paquete disponible de forma gratuita, Autopack, que formaliza el proceso de etiquetado de motivos de embalaje y puede procesar y etiquetar automáticamente los motivos de embalaje de miles de estructuras de cristales moleculares. La investigación aparece en el Revista de información y modelado químico .

Los estudios de ingeniería de cristales a pequeña escala durante los últimos 30 años sugieren que, mientras que la predicción de estructuras cristalinas experimentales a partir de una estructura química sola permanece fuera de alcance, puede haber relaciones entre las estructuras químicas de las moléculas y un atributo específico de la estructura cristalina que adoptan llamado motivo de empaquetamiento.

El motivo de empaquetamiento de un cristal molecular es un concepto importante para aplicaciones energéticas y de electrónica orgánica debido a las correlaciones observadas entre los motivos de empaquetamiento de los cristales moleculares y las propiedades de rendimiento de interés. que incluyen insensibilidad a explosivos moleculares y transporte de carga para semiconductores moleculares.

Hasta ahora no se ha creado ningún método formalizado y de código abierto para asignar motivos de embalaje. En lugar de, Los motivos de empaquetamiento se atribuyen a los cristales moleculares simplemente mediante la evaluación humana de la estructura y el juicio de un cristal, resultando en conjuntos de datos pequeños y ruidosos.

"En la era del aprendizaje automático, la capacidad de crear grandes Los conjuntos de datos etiquetados de motivos de empaquetamiento de cristales moleculares ahora son especialmente importantes, "dijo el científico de datos de LLNL Donald Loveland, autor principal del artículo. "Tales esfuerzos pueden generar modelos que puedan predecir los motivos de empaquetamiento a partir de la estructura química de las moléculas únicamente, lo que ayudaría a los químicos orgánicos a priorizar la síntesis de nuevas moléculas basándose en el motivo y las propiedades de empaquetamiento deseados ".

El nuevo trabajo de LLNL utiliza un algoritmo de optimización eficiente que evita muchos problemas encontrados en los métodos de etiquetado de motivos de empaque previamente propuestos. lo que conduce a nuevos resultados de vanguardia cuando se prueba en un conjunto de datos curado por LLNL.

A través de Autopack, los investigadores han podido generar un conjunto de datos de casi 10, 000 motivos de empaquetamiento para un conjunto de moléculas energéticas y de tipo energético de interés para el laboratorio, una tarea que antes hubiera sido imposible. Para el contexto, la literatura anterior ha permanecido limitada en el orden de 100 moléculas debido a la naturaleza tediosa y lenta del etiquetado manual. El análisis inicial de este nuevo conjunto de datos apunta a tendencias complejas entre interacciones intermoleculares, Conformaciones moleculares 3-D y motivos de empaquetamiento adoptados actualmente inexplorados en el campo, proporcionando orientación sobre los próximos pasos para las tuberías de ingeniería de cristales.

El código está disponible gratuitamente a través de la Oficina de Innovaciones y Asociaciones del Laboratorio.